Шестак Вакуумная техника. Концепция разреженного газа 2012

26. Существуют термины и определения, присущие именно высокому вакууму226, а именно:

•насосы высоковакуумные объемные и поверхностные, в том числе, диффузионные паромасляные, турбомолекулярные, сорбционные, ионно-геттерные; криогенные;

•предварительное разрежение (roughing pumping) – все высоковакуумные насосы требуют

предварительного разрежения или форвакуумной откачки, осуществляемой в диапазоне давлений от

105 до 10 Па;

•для каждого объемного высоковакуумного насоса известен коэффициент компрессии по разным газам. Различия для азота и водорода могут достигать 1000 раз. Чем выше коэффициент компрессии, тем лучше насос;

•вакуумные системы, оборудованные высоковакуумными насосами поверхностного действия, могут быть отнесены к отпаянным вакуумным системам;

•высоковакуумные измерения, которые сводятся к ионизации молекул остаточных газов и последующего измерения ионного тока в предположении равновесного распределения молекул;

•известны приборы высоковакуумной диагностики: вакуумметр ионизационный с горячим катодом (самый распространенный – манометр Байярда – Альперта), вакуумметр магнитный электроразрядный с холодным катодом (вакуумметр Пеннинга), масс-спектрометры (самый распространенный – квадрупольный).

Вопросы контроля и поддержки

1.Перечислите четыре – пять самостоятельных разделов молекулярной физики.

2.В чем состоит базовая идея молекулярной физики?

3.Какие основные концепции молекулярно-кинетической теории используются в вакуумной технике?

4.Какие положения молекулярно-кинетической теории неадекватны физике вакуума и мешают пониманию процессов?

5.Какой газ считается «немаксвелловским»?

6.Приведите примеры использования пусть и неоформленной, но реально существующей теории разряженного газа.

7.Зачем нужна теория разреженного газа?

8.Перечислите основные функции теории разреженного газа.

9.Приведите пять наиболее важных с вашей точки зрения постулатов теории разреженного газа.

10.Почему теория разреженного газа должна быть разбита на две части – теорию низкого вакуума и теорию высокого вакуума?

11.Докажите, что теория разреженного газа является предельным случаем молекулярнокинетической теории газа.

12.Почему водяной пар является проблемным при получении низкого вакуума?

13.Определите молекулярную концентрацию при давлении 10−5 Па.

14.Почему все насосы низкого вакуума можно считать диффузионными?

15.Выведите основное уравнение вакуумной техники.

16.Почему все механизмы откачки в высоком вакууме непрерывного типа?

17.Почему существуют распределения давления р(х) и скорости откачки Sвх(х) по длине трубопровода как в низком, так и высоком вакууме?

18.Как происходит «захват» молекул в режим высоковакуумной откачки?

19.Что такое «коэффициент Клаузинга»?

20.Почему любой объемный высоковакуумный насос подобен «демону Максвелла»?

21.Почему спектрометрия является существенным методом диагностики вакуумных систем?

22.Какая разница между низковакуумными насосами предварительного разрежения и вспомогательными насосами?

23.В чем отличие «прямых» и «косвенных» измерений?

226 Термины и определения автор счел возможным взять из ГОСТ 2.796-95 «Обозначения условные графические в схемах. Элементы вакуумных систем».

141

2.2. Вакуумные системы

Эффективные вакуумные системы соответствуют основным постулатам, рассмотренным в разделе 2.1, и могут рассматриваться как результат внедрения теории разреженного газа в практику.

По определению система (от греч. σύστημα – «составленный»), в том числе вакуумная, это множество взаимосвязанных объектов – компонентов системы, организованных некоторым образом в единое целое и противопоставляемое среде, в которой она организуется.

Взависимости от уровня разрежения, получаемого в вакуумных системах, несмотря на схематическую общность низко- и высоковакуумных систем, их характеристики, компонентная база и физические основы проектирования и эксплуатации разительно отличаются.

Втехнике, а точнее в схемотехнике, различают структурную, функциональную и принципиальную схемы устройств, объектов и систем. Эти схемы в комплексе обеспечивают наглядное представление, в нашем случае, рассматриваемой вакуумной системы.

Структурная схема – это представление совокупности отдельных компонентов системы и связей между ними. Она предназначена для представления ее основных блоков, узлов, частей и главных связей между ними. Из структурной схемы понятно, зачем нужна данная система и как взаимодействуют

еечасти.

Функциональная схема – документ, разъясняющий процессы, протекающие в отдельных компонентах системы.

Концептуальные структурная и функциональная схемы вакуумной системы изображены на рис. 2.2.1 и 2.2.2.

Рис. 2.2.1. Концептуальная структурная схема вакуумной системы

В состав вакуумной системы входят следующие компоненты, являющиеся подсистемами относительно вакуумной системы:

1)технологический процесс – процесс, для которого создается вакуум. В понятие «технологический процесс» включают: вводимые или выводимые из вакуумной камеры материалы, энергию, движение, источники и потоки молекул, электронов, ионов, и т.д. Для ввода необходимы шлюзы, проходные изоляторы, загрузочные шиберы, окна и другая специализированная вакуумная арматура;

2)вакуумная камера;

3)средства откачки или вакуумные насосы;

4)средства диагностики вакуума;

5)вакуумная арматура.

Следует напомнить, что функции, присущие компонентам систем, могут либо обеспечивать работоспособность систем и, следовательно, быть системообразующими, либо выступать как вредные для систем и, следовательно, быть системоразрушающими.

Логика систематизации функций объясняется тем, что любое вмешательство в работу вакуумной системы для системы вредно и ведет к ее разрушению, также вредно любое избыточное или амбициозное требование, например, сократить время откачки или желание «заглянуть» внутрь вакуумной системы.

142

2.2.1. «Системность» вакуумных систем

Вакуумная система, по крайней мере в электрофизике, иерархически всегда является подсистемой, то есть частью какой-либо другой системы электрофизической установки (надсистемы), ради которой она создается.

Именно это обстоятельство определило структуру данного пособия, согласно которой многие из традиционно излагаемых вопросов вакуумной техники автор считает избыточными при освоении теории разреженного газа.

Надсистемами в электрофизических установках могут быть, например системы ионизации, обеспечения формирования ионных пучков, формирования заряженной или нейтральной плазмы, ускорения заряженных частиц, транспортировки заряженных или нейтральных частиц, диагностики пучков ускоренных частиц, включая диагностику процесса столкновения частиц в коллайдерах.

Надсистемы заданными условиями функционирования определяют сложность и конфигурацию вакуумной системы

Обычно системные свойства принято разделять по группам на функциональные, структурные и ресурсные.

Функциональные свойства:

•синергичность – однонаправленность (или целенаправленность) действий компонентов, усиливающая эффективность функционирования системы; пример синергичности в вакуумных системах – последовательная работа объемных насосов низкого и высокого вакуума;

•приоритет интересов надсистем электрофизических установок перед интересами вакуумной подсистемы и ее компонентов; пример обеспечения подобного приоритета – осторожное применение магниторазрядных насосов из-за наличия в них сильного магнитного поля, способного оказать влияние на надсистемы;

•эмерджентность (синоним – системный эффект) – наличие у системы особых свойств, не присущих её компонентам, несводимость свойств системы к сумме свойств её компонентов; если в почвоведении эмерджентным свойством почвы является плодородие, то примером эмерджентности для вакуумных систем может быть реализация процессов, требующих разрежения газа или формирования определенного состава разреженного газа.

•мультипликативность – и позитивные, и негативные эффекты функционирования компонентов в системе обладают свойством умножения, а не сложения; пример мультипликативности в вакуумных системах – реализация принципа газобалластной откачки водяных паров.

Структурные свойства:

•целостность – первичность целого по отношению к частям;

•неаддитивность – принципиальная несводимость свойств системы к сумме свойств составляющих её компонентов;

•структурность – возможность декомпозиции системы на компоненты, установление связей между ними; типичный пример структурности в вакуумных системах – байпасные линии откачки;

•иерархичность, при которой каждый компонент системы может рассматриваться как система (подсистема) более широкой глобальной системы (надсистемы); например, система откачки всегда является надсистемой для системы вакуумной диагностики, поскольку при работе насоса получаемый результат разрежения газа почти полностью определяется характеристиками насоса, сообщаемыми производителем.

Ресурсные свойства:

•коммуникативность – существование сложной системы коммуникаций компонентов системы со средой, подчиненной определенной иерархии (например, задается порядок подключения-от- ключения вакуумных клапанов);

•связь со внешней средой (все вакуумные системы, в составе которых находятся объемные вакуумные насосы и в которых осуществляются технологические процессы, открыты в смысле термодинамики).

Ввакуумной технике известны закрытые (изолированные, отпаянные) вакуумные системы (камеры) – откачанные предварительно и запаянные колбы сосудов Дьюара, лампы накаливания, магнетроны и другие лампы электронной и СВЧ-техники и т.п.

144

Как было отмечено в разделе 2.1, применение высоковакуумных насосов поверхностного действия приближает любую вакуумную систему к системе отпаянного закрытого типа. Остаточный газ в отпаянных системах, как правило, находится в состоянии равновесия. Срок работоспособности или хранения устройств с отпаянными вакуумными системами определяется, прежде всего, длительностью накопления молекул, проникающих в систему извне, например за счет не 100-процентной герметичности, и выхода степени разрежения за разрешенную технологией границу диапазона;

•адаптивность – стремление к состоянию устойчивого равновесия, которое предполагает адаптацию параметров системы к изменяющимся параметрам внешней среды (однако «неустойчивость» не во всех случаях является дисфункциональной для системы, она может выступать и в качестве условия динамического развития); адаптивность в вакуумных системах широко используется, например, при использовании активных манометров, в которых в вакуум вносится возмущение, а затем отслеживается реакция ансамбля молекул на это возмущение, в частности время затухания колеблющегося элемента в вязкостных манометрах (в манометрах Ленгмюра).

•надёжность – функционирование системы при выходе из строя одного из её компонентов, сохраняемость проектных значений параметров системы в течение запланированного периода; в вакуумных системах надежность, в первую очередь, определяется на предмет прорыва в систему атмосферного воздуха.

В электрофизическом аппаратостроении все вакуумные системы создаются на основе целевых проектов, отличающихся как набором компонентов, так и их характеристиками.

2.2.2. Компоненты вакуумных систем и их основные характеристики

Технологический процесс

Технологический процесс рассматривается как неотъемлемый компонент вакуумной системы, исходя из того простого соображения, что составляющие технологического процесса всегда в большей степени являются системоразрушающими при целостном рассмотрении вакуумной системы. Можно считать эти влияния процесса на всю вакуумную систему внутренними системоразрушающими факторами, так как, осуществляясь в вакуумной камере, они противодействуют исполнению функций каждого компонента системы.

При создании вакуумной системы базовыми считаются два соображения: быстрое и повторяемое обеспечение значений рабочего разрежения (молекулярной концентрации остаточного газа), при котором возможны проведение технологического процесса и быстрая релаксация вакуумной системы с возвращением ее в квазистабильный режим при вредном воздействии на нее процесса или его побочных проявлений: электромагнитного излучения в широком диапазоне частот, облучения потоками заряженных и нейтральных частиц, воздействия сильных и сверхсильных магнитных и электрических полей, чаще всего, импульсных, температурных полей, вибрации, акустических волн, ввода в систему рабочего газа и т.п.228

Некоторые варианты технологических процессов и вакуумных технологических процессов, т.е. процессов, в которых вакуумная система играет основную роль, рассмотрены в табл. 2.2.1.

Основные системные характеристики и параметры вакуумного технологического процесса:

1)диапазон значений рабочего разрежения, обеспечивающий проведение технологического процесса;

2)допустимый или требуемый состав остаточного газа;

3)рейтинг парциального состава откачиваемого вакуумной системой газа;

4)величина дополнительной газовой нагрузки для подсистемы откачки;

5)допустимый уровень стимулированной технологическим процессом десорбции молекул с внутренних стенок вакуумной камеры при реализации процесса;

6)количество необходимых вводов (шлюзов) из атмосферы;

7)критические для технологического процесса параметры вакуумных систем, например недопустимость наличия паров ртути или углеводородов (говорят о «замасливании» систем, что особенно критично при рассмотрении электрической прочности промежутков), внешних электрических и (или) магнитных полей и т.д.;

228 См., например: Глазков А.А., Саксаганский Г.Л. Вакуум электрофизических установок и комплексов. Вакуумные системы термоядерных установок и комплексов. М.: Энергоатомиздат, 1985, с. 166.

145

8)количество и вид подсистем, обеспечивающих процесс и размещаемых в вакуумной камере (например системы коллимации, фокусировки, поворота и торможения заряженных пучков и т.п.);

9)уровень энергетических потерь процесса в вакууме, например, говорят о рассеянии пучка ускоренных заряженных частиц на молекулах остаточного газа и росте эмиттанса пучка, радиационном фоне и т.п.

Вакуумные камеры

Механическая нагрузка на стенки вакуумной камеры при атмосферном давлении 105 Па не так велика, тем не менее необходим прочностной расчет стенок, поскольку нагрузка может привести к деформации узлов с фланцами, что совершенно недопустимо в случае применения металлических уплотнений, так как увеличивает вероятность течей.

Основные системные характеристики и параметры229 вакуумной камеры (или откачиваемого объема):

1)прогреваемость или непрогреваемость камер, определяющая высокоили низковакуумную природу камер соответственно;

2)объем V и конфигурация230 – ориентация в пространстве, форма сечения, протяженность, наличие изгибов, выступов и т.п., от которых зависят удобство обслуживания, собственная пропускная способность камеры и время ее откачки (в табл. 2.2.2 представлены изображения некоторых камер);

229Характеристика – совокупность отличительных свойств кого-либо или чего-либо. Системная характеристика – характеристика, которая учитывается при определении отличительных свойств системы. Параметр (от др.-греч. παραμετρέω – соразмеряю) – обычно численный показатель, величина которого характеризует объект, процесс.

230Конфигурация (от лат. сonfiguration – вид, очертание) – форма чего-либо, взаимное расположение частей объекта.

146

Таблица 2.2.2

Коммерчески доступные вакуумные камеры231

3)рабочий диапазон молекулярных концентраций, задаваемый условиями технологического процесса;

4)материал (чугун, сталь, нержавеющая сталь, алюминий, керамика, стекло и т.д.), выбор кото-

рого определяет не только магнитные свойства, прочность камеры и ее вес, но и один из важнейших параметров в вакуумной технике – величину удельного потока газовыделения232;

5)толщина стенки, от которой зависят уровень вибрации, возможность внешнего прогрева, проницаемость для внешних излучений;

6)способ и степень обработки внутренних поверхностей;

7)температура, до которой и с каким темпом поднятия (снижения) температуры можно прогревать (охлаждать) вакуумную камеру;

8)количество подсоединений, фланцев, вводов движения, электрических вводов, определяющее риск попадания молекул в вакуумную камеру извне;

9)состав остаточного газа, динамика его формирования и удержания;

231По материалам выставки ВакуумТехЭкспо'2011.

232См подробнее: Вакуумная техника: Справочник /К.Е. Демихов, Ю.В. Панфилов, Н.К. Никулин и др.; под общ. ред. К.Е. Демихова, Ю.В. Панфилова. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 2009, с. 78 – 123

и159 – 171.

147

10)скорость наполнения (очистки) вакуумной камеры233;

11)количество подсоединений, фланцев, вводов движения, электрических вводов, определяющее вероятность попадания молекул в вакуумную камеру извне через течи в этих подсоединениях.

Средства откачки или вакуумные насосы

Основные системные характеристики и параметры средств откачки:

1) зависимость быстроты действия насоса Sнас от степени разрежения – рабочие характеристики насосов;

Рис. 2.2.3. Рабочие характеристики: а – высоковакуумных и б – низковакуумных насосов (аппроксимация)

2)верхние и нижние значения диапазона рабочих давлений: рнач и рпред для низкого и высокого вакуума (НВ и ВВ соответственно). Эти значения для каждого типа насосов определяются использо-

ванными механизмами откачки молекул. Так, для высоковакуумных насосов рнач не может быть более значения, при котором число Кнудсена менее или равно 1, а весь диапазон, к сожалению234, на может быть шире 7 – 8 порядков;

3)очень важная характеристика – физический принцип работы используемых насосов, который определяет связь с внешней средой, селективность (выборочность) при откачке разных газов, рабочий ресурс насоса, наличие факторов, влияющих не только на состояние остаточного газа в вакуумной камере, но и на технологический процесс (например, за счет наличия источников тепла, холода, электромагнитных полей, вибрации, пучков электронов и (или) ионов, паров рабочей жидкости

ит.п.);

4)конструкция насоса – средство откачки (насос) может быть встроено в вакуумную камеру, например криопанель или нераспыляемый ленточный геттер235, а может быть присоединено к вакуумной камере с помощью переходника – вариант «навесной конструкции». В этом случае следует говорить об ориентации насоса в пространстве;

5)диаметр входного отверстия насоса Dу и его габариты. Для насосов навесной конструкции, существует правило (назовем его «правилом крокодила») – чем выше разрежение, тем больше диаметр входного отверстия и габариты;

6)конструкция насоса и условия его установки – вертикально (горизонтально), габариты, вес насоса, условия монтажа (демонтажа) на вакуумную камеру (тип фланцев и уплотнений);

7)наличие «вредных» для вакуумной системы материалов и влияний, например, вакуумного и смазочного масел, магнитных полей, источников электромагнитных излучений, источников потоков заряженных частиц (существуют в магниторазрядных насосах), источников вибрации (существуют во всех типах механических насосов), накаленных катодов (существуют в насосах с раздельной процедурой ионизации остаточного газа и термическим испарением геттеров);

8)уровень производимого шума;

9)необходимость водяного охлаждения;

10)энергопотребление и наличие напряжений свыше 1000 В;

233См. подробнее: Глазков А.А., Саксаганский Г.Л. Вакуум электрофизических установок и комплексов. М.: Энергоатомиздат, 1985, с. 47.

234Именно это обстоятельство требует каскадного включения объемных насосов при получении высокого вакуума.

235См. подробнее: Саксаганский Г.Л. Электрофизические вакуумные насосы. М.: Энергоатомиздат, 1988,

с. 230.

148

11) стоимость: себестоимость насосов, эксплуатационные расходы, ремонтопригодность.

Представим, что некий крокодил – он же вакуумная система – «рассердившись» наползает на высокий вакуум, разевая рот все больше.

Из этого можно сформировать «правило крокодила» – чем выше разрежение, тем больше диаметр входного отверстия и габариты вакуумных насосов, что связано с желанием увеличить или сохранить величину потока откачки в условиях уменьшения за счет откачки величины молекулярной концентрации на входе насоса.

Средства диагностики вакуума

Основные характеристики и параметры известных на сегодня средств диагностики вакуума:

1)косвенный характер измерений – прямое измерение уменьшения количества молекул в камере как прямого результата ее откачки при существующем уровне диагностики вакуума невозможно.

Ввакууме основным измеряемым параметром является молекулярная концентрация остаточного газа. Именно ее и измеряют все манометры (за исключением жидкостных и деформационных), измерители парциальных «давлений» – масс-спектрометры и течеискатели;

2)физический принцип работы преобразователя и

его рабочая характеристика, область линейности выходного сигнала которого определяет рабочий диапазон преобразователя с граничными значениями рнач и рпред

(рис. 2.2.4); 3) погрешность измерений для вакуумных систем,

подчиняющихся законам больших чисел, требует дополнительного обсуждения и не решается с помощью традиционной метрологии;

4) постоянная времени измерения, которая должна

обеспечивать выполнение условия τманометра << τвакуумной системы, где τвакуумной системы = V/S, V – объем ва-

куумной системы, S – скорость откачки вакуумной системы;

5)вес датчика, открытость или закрытость конструкции датчика и условия его монтажа на вакуумную камеру или демонтажа для проведения, например поверки (тип используемых фланцев и уплотнений);

6)энергопотребление, включая энергопотребление радиоблока вакуумметра;

7)стоимость;

8)количество необходимых дополнительных преобразователей;

9)совместимость сигналов датчика с информационными системами по уровню и природе сигна-

лов;

10)помехозащищенность датчика и измерительных каналов, определяющая возможности измерения малых величин, свойственных значению рпред.

Замечание: если ввести термин «идеальный манометр», то для вакуумной техники таковым был бы манометр, измеряющий локальную парциальную молекулярную концентрацию газа, сканирующий по внутреннему объему вакуумной системы и учитывающий направление движения молекул, т. е. измеряющий плотность потока молекул и вектор скорости переноса в выбранной области вакуумной системы.

Вакуумная арматура

По назначению вакуумная арматура может быть классифицирована следующим образом:

•соединительные патрубки;

•гибкие герметизирующие звенья (сильфонные патрубки);

149